对高负荷小流量涡轮气动性能分析

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1、飘应用技孜术不高负荷小流量涡轮气动性能分析张伸展杜鑫(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院)摘要：通过对涡轴发动机一列动叶片的原型叶片和高负荷叶片叶型对比以及对其一维、二维气动参数和三维流场的分析，验证了高负荷叶片能够实现更高的负荷，并从流动机理方面分析高负荷叶片能量损失的来源，对削弱高负荷叶片的二次流损失提出建设性意见。关键词：涡轮；动叶；高负荷；二次流；流场分析0引言1物理模型及数值模拟方法在现代航空领域，高负荷涡轮叶片因具有更高的1．1物理模型以及边界条件负荷，大大提高了发动机的推重比，有很大的需求。本文研究的是某涡轴发动机的一列动叶片。叶片国外很多

2、研究人员对高负荷叶型的设计有深入研究。原型弦长0．0169m，相对截距0．7143；高负荷叶型弦美国NASAfPW在90年代开展的超高负荷涡轮叶栅长0．02281"11，相对截距0．9615。一维边界条件如表1实验与数值的研究L1J和日本航空宇航技术研究所开展所示。的超高负荷涡轮叶栅及超高负荷对转涡轮的实验研表1边界条件究【2_3】均得出：高／超高负荷由于流动分离和气动掺混，会造成较高的叶栅损失。参数参数值近l0年来，国内外针对高负荷涡轮叶片在叶型进口总Pa100000设计、边界层流动分离和控制以及气动性能等方面开进口总温307展了大量的实验测量、数值

3、模拟和理论分析。杨其国进口气流角／o20．4等人通过实验对高负荷涡轮叶栅气动性能研究得出出口静压／Pa90000如下结论：随着负荷的增大，叶型的吸力面压力分布相比于传统叶型具有较大的差别，高负荷叶型的负荷1．2数值模拟方法分布前移，导致叶栅内横向压力梯度增大，叶栅内的本文采用NUMECA~：的IGG进行网格划分和端部二次流损失增加，同时由于流动具有较大的逆压三维定常计算，生成的网格具有较高的通用性和质梯度，导致流动发生分离。量，并可通过CFView后处理模块，对流场计算结果综合上述研究，找到合适的方法削弱高负荷涡轮进行可视化处理，可方便快捷地获得大量与

4、流场信息叶片的端区二次流动及流动分离，具有重要意义。因相关的气动参数。此需要深入了解涡轮叶片内部真实的流动过程。利用NUMECA中的IGG划分网格方法，生成的本文以通过减少叶片数得到的高负荷叶片为研叶片网格如图1所示。其中，通过调整IGG的B2B究对象，分析原型叶片的特点，并通过对比原型叶片网格点分布设置的参数，可对叶型网格点数和展向网和高负荷叶片的一维、二维气动参数以及三维流场，格点数进行调整，如图l(a)所示，29和45分别为压验证高负荷叶片的高负荷特性，同时揭示高负荷叶片力面和吸力面的网格数分配。端区二次流损失产生的机理。2015年第36卷第4期

5、自动化与信息工程1l49P【s：29(blade+4l(s呦nin一1+81咖Iec)一1表2不同叶高范围设置的网格数方案412981＼网格数O总网格＼／万～1％1％～3O％30％～50％数／万<二二—方案45116321261216401269165PeriodicPts=45(b~ledown)+41(~'eami~et)1+81(slreamoutlet)—13l6481277(a)IGG的B2B网格点分布设置图42432126952440127762448128572456129382464l21Ol93232l2771O32401285113

6、2481293123256121O1Co)IGG生成的网格模型13326412109图1IGG划分叶片网格及生成叶片网格本文计算选用的湍流模型为Spalart-Allmaras【5】，不同网格数对叶片一维参数的影响如图2所示，其具有计算量小、稳定性好，同时计算时初始参数容分别为密流、能量损失系数、压比、出口气流角随易控制的优点。NUMECA使用理想流体模型进行定1％30％叶高之间网格数目变化的规律。常计算，使用S_A湍流模型求解三维雷诺平均N．s1％--30％叶高处的网格数从48开始的叶片的一方程。维参数逐渐趋于平缓均匀。因此，初步确定24_48．12

7、的叶片为最合适的网格。2原型叶片网格无关性3原型叶片和高负荷叶片对比分析本文研究的网格无关性从展向网格数的划分情况来讨论。在原型叶片的基础上，通过减少叶片的方式提高对叶栅的半叶高叶片进行分析，将其分为3部分：叶片的负荷。观察原型叶片和高负荷叶片在ANSYS1％、1％30％和30~／~50％。!％叶高呈现了附面CFX中的叶型对比，如图3所示，可发现高负荷叶片层内壁角涡附着线分布情况：1~／~30％叶高代表附面经过前加载【6J，其安装角更大，具有更大的周向距离。层到二次流范围的极限流线的分布情况；30~／~50％为分析高负荷叶片性能的改进，本文对比了原型叶

8、高为二次流到半叶高部分。不同叶高范围设置的网叶片和高负荷叶片的进出口的相关气动参数。格数方案如